有机物料输入对矿区复垦土壤特性的影响

刘靓，郜春花，张强，李建华，靳东升，卢朝东，卢晋晶

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

有机物料输入对矿区复垦土壤特性的影响

刘靓1，郜春花2，张强2，李建华2，靳东升2，卢朝东2，卢晋晶2

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

针对矿区复垦土壤养分贫瘠、物理结构差、生物活性低等问题，以山西省襄垣县西山底村长期定位试验为平台，进行不同有机物料（生物炭、堆肥、沼渣、牛粪、玉米秸秆，不施有机物料（对照））输入对复垦土壤特性的影响研究。结果表明，不同有机物料输入均可显著增加表层土壤养分含量，对土壤部分物理性状产生不同影响；牛粪、沼渣和堆肥能同时增强土壤蔗糖酶与碱性磷酸酶活性，其中以牛粪和沼渣最为显著。因此，牛粪和沼渣可作为首选有机物料，加快矿区复垦土壤的培肥效果。

有机物料；矿区复垦土壤；理化性质；酶活性

有机物料的种类多种多样，其中，包括作物秸秆、堆肥、禽畜粪便、沼渣等。我国作为一个农业大国，农业有机废弃物的种类和数量逐年增多，现已成为世界农业有机废弃物产出量最大的国家。有资料显示，我国是世界上秸秆第一大国，2009年我国作物秸秆总量超过8.2亿t[1]，并且呈逐年上升趋势。我国畜禽粪便生产量1980年超过了14亿t，2011年达到21.21亿t，并伴随着畜禽养殖量的增加而加速增加，到2020年和2030年将分别达到28亿、37.43亿t[2]。这些有机废弃物绝大多数没有得到合理利用而成了污染物，对水体、大气、土壤和人类健康造成许多负面影响。有机物料的施用在我国具有悠久的历史，20世纪50年代前，它主要作为农业上氮、磷、钾的主要来源[3-4]。尽管目前化肥的施用越来越普遍，但有机肥仍提供了相当比例的氮、磷、钾，现在的观点普遍认为，有机物料的施用关键不在于氮、磷、钾含量的多少，而在于它可以改善土壤理化性状[5]，增强土壤微生物的活力[6]，促进土壤中营养元素的循环，提高作物根系功能，改善土壤质量等。

山西省是新型能源和工业基地，产煤大省，矿区复垦面积很大。矿区复垦土壤养分贫瘠、微生物活性低、数量少、作物生长缓慢、产量低下。本研究以山西省襄垣县西山底村长期定位试验为平台，在矿区复垦土壤上进行有关有机物料输入对土壤理化性质及微生物活性影响的研究，最终明确有机物料对土壤性质和土壤活性的影响。以期为快速高效提高矿区复垦土壤质量提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

襄垣县位于山西省东南部长治市，太行山西麓，上党盆地之北，地理坐标为东经112°42′～113°14′，北纬36°23′～36°44′。本试验基地位于襄垣县西山底村，该基地属潞安集团五阳煤矿井田范围，20世纪70年代开始地表塌陷，2000年前后塌陷稳定。本试验基地从2012年开始进行试验，种植作物为玉米，品种为先玉335，株行距为35 cm×60 cm。

1.2 试验设计

试验于2015年5—10月进行。共设6个处理（5种有机物料和1个空白对照），即HT（生物炭）、DF（堆肥）、ZZ（沼渣）、NF（牛粪）、JG（玉米秸秆）和CK（不施有机物料）。每个处理设3个重复，共18个小区，各小区位置完全随机排列。每个小区面积30 m2，试验区总面积540 m2。所施入的5种有机物料均以等碳量施入耕作层，施入量为上季还田玉米秸秆的含碳量（2.7 t/hm2）。基施无机肥N 180，P2O572，K2O60 kg/hm2。

1.3 采样及测定方法

2015年9月28日，襄垣县西山底村试验基地玉米进入完熟期，进行土壤样品的采集，其中，用于测定土壤容重、渗透速率的土壤用环刀采集，每个小区在0～20 cm土层中取3个环刀土样；用于测定土壤养分、土壤酶活性的土壤使用土钻进行采集，每小区中选取3个点分别采集0～20，20～40 cm的土壤，同一采集区间的3钻土壤最后要混匀装袋，之后风干后过2 mm筛。

土壤容重、渗透速率采用环刀法进行测定。土壤养分的测定均参照鲍士旦[7]《土壤农化分析》的测定方法进行。土壤全氮采用开氏定氮法测定；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。参照严昶升[8]的方法测定土壤酶活性：磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法（37℃培养24 h），以每克土释放酚的毫克数表示磷酸酶活性；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法（37℃培养24 h），以每克土壤中葡萄糖的量表示蔗糖酶活性。

1.4 数据统计

用Excel 2003对数据、图表进行处理。采用SPSS 19.0对数据进行方差分析、多重比较及显著性差异检验。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料输入对土壤养分的影响

土壤是植物赖以生存的基础，也是农业生产所必需的重要资源；土壤中的养分更是对作物生长发育起着极其重要的作用。试验区土壤基础养分情况如表1所示，其采样时间为2012年1月。

表1 试验前土壤基础养分

2015年9月试验区采集土壤的养分结果如图1～5所示，各处理的有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均高于基础养分。说明有机物料的长期输入，显著地增加了土壤养分的含量。特别是耕层（0～20 cm）土壤养分的变化更显著。

由图1可知，HT，DF，ZZ，NF，JG处理0～20，20～40 cm土壤有机质含量均高于CK，其中，0～20 cm土层中，土壤有机质含量分别比CK增加了111%，84%，51%，92%和50%，5种有机物料对土壤有机质含量影响从大到小依次为HT，NF，DF，ZZ，JG；20～40 cm土层中，土壤有机质含量分别比CK增加了15%，91%，19%，75%和115%，其中，DF，NF和JG处理与CK相比差异较大，5种有机物料对土壤有机质含量影响从大到小依次为JG，DF，NF，ZZ，HT。由此可以看出，施入生物炭、堆肥和牛粪对提高表层土壤有机质含量效果明显。

由图2可知，0～20 cm土层中，HT，DF，ZZ，NF，JG处理的土壤全氮含量均高于CK，分别比CK增加15.44%，92.24%，13.92%，35.44%和10%，5种有机物料对土壤全氮含量影响从大到小依次为NF，DF，HT，JG，ZZ；20～40 cm土层中，除ZZ外，其余处理的全氮含量均高于CK，HT，DF，NF，JG处理的全氮含量分别比CK增加14.87%，9.73%，20.71%，4.96%，5种有机物料对土壤全氮含量影响从大到小依次为NF，HT，DF，JG，ZZ。由此可以看出，施入牛粪对提高土壤全氮含量效果较好。

从图3可以看出，0～20 cm土层中，HT，DF，ZZ，NF，JG处理的土壤有效磷含量均高于CK，分别比CK增加4.16，27.36，67.36，45.26，4.76 mg/kg，5种有机物料对土壤有效磷含量影响从大到小依次为ZZ，NF，DF，HT，JG；20～40 cm土层中，除HT外，其余处理的土壤有效磷含量均高于CK，分别比对照增加1.05，4.21，2.63，1.77 mg/kg，5种有机物料对土壤有效磷含量影响从大到小依次为ZZ，NF，JG，DF，HT。由此可以看出，施入沼渣和牛粪对提高土壤有效磷含量效果最好。

由图4可知，0～20 cm土层中，HT，DF，ZZ，NF，JG处理的土壤速效钾含量均高于CK，分别比CK增加14.3，109.2，65.8，93.1，54.4 mg/kg，5种有机物料对土壤速效钾含量影响从大到小依次为DF，NF，ZZ，JG，HT；20～40 cm土层中，除ZZ和JG外，其余处理的土壤速效钾含量均高于CK，HT，DF，NF分别比CK增加1，39，20 mg/kg，5种有机物料对土壤速效钾含量影响从大到小依次为DF，NF，HT，ZZ，JG。由此可以看出，施入堆肥和牛粪对提高土壤速效钾含量效果较好。

结果表明，试验地各小区不同有机物料输入能够明显增加土壤养分，提高土壤肥力，综合效果是堆肥和牛粪增加肥力效果比较稳定。

2.2 不同有机物料输入对土壤容重的影响

土壤容重是反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的重要指标。一般耕作层的土壤容重为1.0～1.3 g/cm3，土层越深容重越大，可达1.4～1.6 g/cm3。土壤容重越小，说明土壤结构、透气透水性能越好。本试验区0～20 cm的土壤容重在1.12～1.38g/cm3。对0～20 cm土壤进行单因素方差分析，结果表明，与其他处理相比，ZZ处理和NF处理土壤容重相对较小，并且ZZ处理容重与HT，DF，JG处理间均差异显著。施入5种有机物料对降低土壤容重的影响从大到小依次为ZZ，NF，HT，DF，JG。综合来看，土壤中施入沼渣和牛粪都能减小土壤容重，改善土壤结构。

2.3 不同有机物料输入对土壤渗透速率的影响

土壤渗透速率又称土壤入渗率，是表征土壤质量的重要参数。从图6可以看出，在0～20 cm土层，与CK相比，5个处理的渗透速率从大到小依次为NF，ZZ，DF，HT，JG。NF处理透速率最大，比对照高出22.3%，JG处理最小，比对照低22.98%。对0～20 cm土层的渗透速率进行统计分析可知，只有NF处理和JG处理与CK间差异显著，且NF处理的渗透速率高于CK。综合来看，施入生物炭、堆肥、沼渣、牛粪均能够增加土壤渗透速率，其中，牛粪和沼渣相对于其他处理来说对于提高土壤渗透速率效果较好。

2.4 不同有机物料输入对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶是土壤酶中一种非常重要的酶类。土壤蔗糖酶与土壤中的有机质、氮、磷含量，微生物数量及土壤呼吸强度有关，其酶促产物直接关系到植物的生长[9]。因此，土壤蔗糖酶活性反映了土壤的熟化程度和肥力水平，是评价土壤肥力的重要指标[10]。

从图7可以看出，不同有机物料输入对土壤蔗糖酶的影响不同。在同一施肥水平上与CK相比，DF，ZZ，NF，JG的施入使土壤蔗糖酶活性分别增加36.2%，46.84%，48.99%，21.27%。5种有机物料处理中除HT处理以外，其余处理均与CK间差异显著，影响由大到小依次是NF，ZZ，DF，JG。HT对土壤蔗糖酶基本没有明显影响。由此可知，施入牛粪、沼渣、堆肥及秸秆均能有效提高土壤蔗糖酶活性，牛粪、沼渣、堆肥和秸秆均对土壤蔗糖酶活性影响显著，其中，牛粪是最好的选择。

2.5 不同有机物料输入对土壤碱性磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶是一种可以把土壤中难以被植物利用的有机磷化合物转化为能被植物吸收利用状态的酶。在pH值介于4～9的土壤中均有磷酸酶。本试验区的土壤pH值在8左右，因此，要对土壤碱性磷酸酶进行测定，用其反映土壤的供磷情况。土壤碱性磷酸酶活性越强，说明土壤磷素肥力越高。

从图8可以看出，相同的施肥水平上，不同有机物料的施入对土壤碱性磷酸酶活性的影响也不一样，在同一施肥水平上与CK相比，DF，ZZ，NF，JG的施入使土壤碱性磷酸酶活性分别增加16.46%，20.25%，13.92%和3.80%；HT的施入使土壤碱性磷酸酶活性减少8.86%。与CK相比，除HT处理外，其他4种有机物料对土壤碱性磷酸酶活性的影响均达到显著水平。有机物料对土壤碱性磷酸酶活性的影响由大到小依次是ZZ，DF，NF，JG，HT。因此，土壤中施入沼渣、堆肥和牛粪能有效增加土壤碱性磷酸酶活性，同时提高土壤磷素肥力。

3 结论与讨论

3.1 不同有机物料输入能显著增加表层土壤养分含量

不同有机物料输入对土壤养分含量的影响显著，有机物料能够明显增加土壤养分含量，与很多文献结果较为一致。孙瑞娟等[11]研究结果表明，土壤养分含量对不同施肥处理的响应不同，施肥能够提高土壤养分含量。宋蒙亚等[12]研究表明，添加有机物料可以显著提高土壤养分含量，增强土壤生物活性，从而提高土壤供肥能力。Tessier等[13]研究结果表明，施入牛粪有机肥后，能够增加土壤有机碳含量，进而增大土壤微生物生物量。黑炭由于其稳定的结构性，将其施加到土壤中后，能够保持土壤养分[14]。

3.2 不同有机物料输入对土壤部分物理性状产生不同影响

一般情况下，土壤容重较小，表明土壤比较疏松，孔隙多、保水保肥能力强；反之，土体紧实、结构性差、孔隙小，透水性、通气性不良，保水保肥能力差。本试验研究结果表明，在0～20 cm土壤中，沼渣处理在改善土壤的容重方面效果最好，综合结果来看，牛粪能很好地降低土壤容重，改善土壤结构，是相对较优的方法。陈红霞等[15]研究表明，在砂姜黑土上连续3 a施用生物炭后，0～7.5 cm土层土壤容重显著降低。Claser等[16-17]研究表明，对土壤施入黑炭能够提高土壤肥力，改善土壤理化性质。本研究结果表明，改良土壤容重最好的有机物料是牛粪，但是关于将牛粪作为有机物料施入土壤中的研究鲜有报道，本试验为这方面的研究开辟了新的思路，对后续研究有一定的意义。

3.3 不同有机物料输入显著提高土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性

土壤酶直接参与土壤中物质的转化、养分释放和固定过程，土壤酶活性与土壤供肥能力密切相关[18]。土壤酶活性对不同有机物料处理有明显的响应，有机物料可提高土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性。本试验结果表明，施入牛粪和沼渣能够显著提高土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性。王艳[19]研究结果表明，加入不同有机物料后，秸秆处理的过氧化氢酶活性显著提高。董志新等[20]研究结果表明，牛粪对提高土壤蔗糖酶活性效果较好。

本研究结果表明，土壤不同有机物料输入均能显著增加表层土壤养分含量，其中，以牛粪和堆肥效果显著；有机物料对土壤部分物理性状产生不同的影响，以牛粪和堆肥效果显著；牛粪、沼渣和堆肥能同时增强土壤蔗糖酶与碱性磷酸酶活性，其中，以牛粪和沼渣最为显著。因此，牛粪和沼渣可以作为首选有机物料，有显著加快矿区复垦土壤培肥的效果。

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Effects of Organic Material Input on Reclaimed Soil Characteristics in Mining Area

LIUliang1，GAOChunhua2，ZHANGQiang2，LI Jianhua2，JINDongsheng2，LUChaodong2，LUJinjing2
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment and Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

According to the problem of poor nutrition,poor physical structure,low biological activity in mine reclaimed soil,this paper researched the influence ofdifferent organic material input（biochar,compost,biogas residues,cowdung,corn strawand control）on reclaimed soil properties,based on a long-term located experiment in Xishandi village of Xiangyuan county Shanxi province.The results showed that the different organic material inputs significantly increased surface soil nutrient content,the effects on some physical properties of soil were different.Cow dung,compost and biogas residues could enhance the soil invertase and alkaline phosphatase activity,and cowdung and biogas residues were most significant.Therefore,cowdung and biogas residues can be used as the preferred organic material,speed up fertilityeffect ofthe reclamation soil.

organic materials;mine reclaimed soil;physical and chemical properties;enzyme activity

TD88

A

1002-2481（2016）12-1805-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.17

2016-07-19

山西省科技重大专项（20121101009）；山西省青年科技研究基金项目（2015021158）；山西省财政支农项目（2016NYGX-04）

刘靓（1991-），女，黑龙江牡丹江人，在读硕士，研究方向：矿区土壤生态修复。郜春花为通信作者。